Teoria structurii zgurii metalurgice

Inițial, teoria structurii zgurii lichide s-a bazat pe datele termodinamice privind rezistența oxizilor individuali și a compușilor acestora găsiți în studiile mineralogice ale zgurii, presupunând structura lor moleculară. Mai târziu, zgurii lichizi au început să fie considerați ca soluții de ioni. În prezent, pentru a explica structura zgurii lichide și procesele de interacțiune observate, se utilizează teoria moleculară și ionică.

Conform teoriei moleculare, zgurii lichizi constau din molecule de compuși chimici, care sunt parțial sau complet disociate în molecule mai simple. În acest caz, posibilitatea de interacțiune a componentelor zgurii cu impuritățile metalice sau activitatea chimică a zgurii este determinată de concentrația de oxizi liberi, care pentru fiecare oxid este egală cu diferența dintre conținutul său total și conținutul de oxid care se află legat în compuși chimici. De exemplu, pentru oxidul de calciu: (CaO)_св = (CaO)total —<а(Ca0)*b(Si0₂) + c(CaO)*d(P₂0₅) + m(CaO) * n(FeO)>,

unde a(CaO)*b(Si0₂) — cantitatea de silicați; c(Ca0)*d(P₂0₅) — cantitatea de fosfați de calciu, m(CaO) * n(FeO) — cantitatea de oxid de ciliu în combinație cu oxid de fier.

Teoria moleculară permite descrierea destul de simplă a proceselor observate, specificarea tipurilor de compuși chimici și a gradului de disociere a acestora, precum și corectarea valorilor coeficienților numerici în dependențele primite.

Disocierea în molecule a compușilor oxidici din topiturile de zgură este utilizată pentru a determina direcția reacțiilor chimice și pentru a realiza procesul în sine cu cel mai mare efect. Astfel, defosforizarea oțelului lichid (se poate utiliza și termenul „defosforizare”) se realizează prin asigurarea posibilității reacției de transfer a fosfatului de fier slab (Fe0)_{3 *} P₂05 în fosfat de calciu puternic (Ca0)h * P₂05:

Pe măsură ce conținutul de oxid de calciu liber din zgură crește, reacția se deplasează spre dreapta. Formarea în zgură a Ca0 Fe₂0₃, ușor de disociat în molecule, nu este un obstacol în calea formării fosfatului de calciu, dar odată cu creșterea conținutului în zgură Si0₂care leagă CaO într-un compus puternic slab disociabil CaO * Si0₂conținutul de CaO din zgură scade și reacția cu fosfatul de fier este întârziată.

În urma studierii vâscozității, a conductivității electrice și a electrolizei zgurii metalurgice, s-a stabilit o creștere bruscă a conductivității lor electrice în timpul topirii și s-a evidențiat dependența conductivității electrice de concentrație și temperatură. Aceste caracteristici ale comportamentului topiturilor de zgură au constituit baza teoriei ionice dezvoltate de oamenii de știință sovietici V. A. Vasyukov, O. A. Yesin, A. M. Samarin și alții. Conform teoriei ionice a structurii zgurii lichide, aceasta din urmă constă din cationi încărcați pozitiv și anioni încărcați negativ. Cu alte cuvinte, zgurii sunt considerați ca o soluție de ioni, adică particule încărcate pozitiv și negativ. Se presupune că într-o topitură ionică există anioni în imediata vecinătate a cationilor și viceversa.

Într-o topire ionică perfectă, activitatea unui ion este egală cu fracția sa ionică, care este determinată de raportul dintre numărul de ioni dat și numărul tuturor ionilor de același semn. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, zgura metalurgică diferă semnificativ de soluțiile ionice perfecte. În conformitate cu teoria ionică, compoziția zgurii include: cationi atomici, anioni atomici, anioni slod.

În zgură, activitatea ionilor diferă considerabil de fracția ionică. Se consideră că principalul motiv al abaterii zgurii de la soluțiile ionice perfecte este legătura inegală care apare între anion și diferiți cationi sau între cation și diferiți anioni. Aceasta conduce la o ordonare suplimentară a distribuției ionilor în topitură. Astfel, ionii de fier ar trebui să fie în asociere mai strânsă cu ionii de oxigen, iar ionii de calciu cu Si0_{4 4-} . Pentru a aplica ecuațiile și legile sistemelor ideale la reacțiile care implică zgură lichidă, se utilizează conceptul de activitate ionică în loc de fracție ionică. Activitatea ionică se determină prin înmulțirea fracției ionice cu un coeficient de activitate adecvat, ales empiric. În unele cazuri, concentrațiile active ale componentelor zgurii sunt calculate presupunând prezența ionilor și a moleculelor nedisociate în zgură. Metodele utilizate de calculare a activităților în conformitate cu teoriile moleculare și ionice ale zgurii trebuie îmbunătățite. Cele mai fiabile date care caracterizează activitatea componentelor zgurii sunt obținute ca urmare a studiilor experimentale ale echilibrului proceselor studiate.